数据结构与算法之PHP排序算法（桶排序）

一、基本思想

桶排序是将待排序的数据分割成许多buckets，然后每个bucket各自排序，或用不同的排序算法，或者递归的使用bucket sort算法。也是典型的分而治之（divide-and-conquer）的策略。

 

二、算法过程及PHP代码实现

1）找出待排序数组arr中的最大值max、最小值min；

2）设置一个定量的数组当作空桶，范围为min~max（min、max为步骤1求得的最小值、最大值）；

3）遍历待排序数组arr，计算每个元素arr[i]放的桶，把数据放到对应的桶里；

4）如果桶不为空，对桶中的数据进行排序；

5）遍历桶数组，把所有桶中排序好的元素放到一个新的数组里。

例如：

待排序数组为5,3,5,2,8，其最小值是2，最大值是8，可以在2-8的取值范围内定义一个桶数组$bucket，并且让所有的元素值都为0；

对需要排序的数组进行循环遍历，将数据依次放到对应的桶中，即：

首先是5,则使$bucket[5]++，继续遍历，$bucket[2]=1，$bucket[3]=1，$bucket[5]=2，$bucket[8]=1，

然后循环$bucket数组，若$bucket[2]=1，则循环输出元素2一次，$arr[5]=2，则循环输出5两次，结果为 2 3 5 5 8

PHP代码如下：

<?php

function bucketSort($arr) {

    // 设置木桶

    $bucket = [];

    $min = min($arr);

    $max = max($arr);

    // $bucket = array_fill($min, $max -$min + 1, 0);

    for ($m = $min; $m <= $max; $m++) {

        $bucket[$m] = 0;

    }

    // 将待排数据按照范围放到对应的木桶中

    $cnt = count($arr);

    for ($n = 0; $n < $cnt; $n++) {

        $bucket[$arr[$n]]++;

    }

    // 从木桶中拿出数据

    $result = [];

    for ($i = $min; $i <= $max; $i++) {

        if (($bucket[$i]) > 0) {

            for ($j = 1; $j <= $bucket[$i]; $j++) {

                $result[] = [$i];

            }

        }

    }

    // 处理数组

    $res = [];

    foreach ($result as $v) {

        $res[] = $v[0];

    }

    return $res;

}

 

$arr = [12, 31, 85, 7, 41, 34, 10, 96];

$res = bucketSort($arr);

print_r($res);

设置木桶也可以先确定木桶的个数，即n = (max - min) / arr.length + 1，其中，max、min为待排序数组的最大值、最小值，然后桶的范围为0-(n-1)，后面的步骤同前面的3-5步相同。

PHP代码如下：

<?php

function bucketSort(&$arr) {

    $min = min($arr);

    $max = max($arr);

    $n = $max - $min + 1;

    $buckets = [];

    for ($i = 0; $i < $n; $i++) {

        $buckets[$i] = 0;

    }

    for ($i = 0; $i < count($arr); $i++) {

        $buckets[$arr[$i] - $min]++;

    }

    $k = 0;

    for ($i = 0; $i < $n; $i++) {

        while ($buckets[$i]-- > 0) {

            $arr[$k++] = $i + $min;

        }

    }

}

 

三、效率分析

对于N个待排数据，M个桶，

1、时间复杂度：O(N+C)，其中C=N*(logN-logM)

2、空间复杂度：O(N+M)，稳定性排序

3、缺陷：

1）参与排序的数组存放的必须是整数。

2）数组中的最大数和最小数保持在一个合理的间距内。

3）需要额外的内存空间。

 

四、算法改进

按着上述代码，如果要排序的范围是1-100万，将申请大量的内存，也就是设置了100万个桶。为了节省内存，可以改进这个算法，把待排序数组划分为n个大小相同的子区间（桶），然后基于某种映射函数，将待排序序列的元素映射到第i个桶中，再对每个桶中的所有元素排序，最后合并。

1）确定元素的最大值max、最小值min、数组长度length；

2）确定桶数：n = (max - min) / length + 1；

3）确定桶的编号：0 ~ (n - 1);

4）确定数组元素对应的桶的编号：index = (x - min) / length;

5）对每个桶进行排序；

6）合并所有桶的元素。

PHP代码如下：

<?php

function bucketSort($arr) {

    $length = count($arr);

    $min = min($arr);

    $max = max($arr);

    $n = ceil(($max - $min) / $length) + 1;

    // 设置木桶

    $buckets = [];

    for ($i = 0; $i < $n; $i++) {

        $buckets[$i] = [];

    }

    // 将每个元素放入桶

    for ($i = 0; $i < $length; $i++) {

        $index = ceil(($arr[$i] - $min) / $length);

        $buckets[$index][] = $arr[$i];

    }

    // 对每个桶进行排序

    $res = [];

    for ($i = 0; $i < $n; $i++) {

        sort($buckets[$i]);

        // 合并所有桶中的元素

        $res = array_merge($res, $buckets[$i]);

    }

    return $res;

}

$arr = [12, 31, 85, 7, 41, 34, 10, 96];

$res = bucketSort($arr);

print_r($res);

这种方法，只需要设置12个桶即可，大大的节省了空间。